JPS6314931A - 油圧シヨベルの掘削深さ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、油圧ショベルの掘削深さυ制御装置に関する
ものである。

（従来技術） 従来、油圧ショベルにおける掘削深さの制御手段として
、たとえば特公昭５８−３６１３５号公報に示されるも
のが知られている。この制御手段は、地面からの掘削深
さを設定し、ブーム、アーム、バケットの各回転部に角
度検出器を設けてそれぞれの回転角を検出するとともに
、各回転角に基づいて地面からバケット先端までの距離
を求め、上記設定掘削深さと、地面からバケット先端ま
での距離との差がＯとなるようにブームとアームの作動
を制御するものである。

上記従来の制御手段では、地面を基準として掘削深さの
設定およびバケット先端位置の演幹を行っているため、
地面が水平面に対して傾斜している場合、車体も傾斜し
、正確な掘削制御を行うことができず、とくに車体が前
屈みに傾斜している場合には、設定掘削深さ以上に掘削
することになる。しかも、バケットの角度を検出するた
めに、バケットのアーム先端に対する枢支部に角度検出
器を設ける必要があり、このバケット角度検出器の使用
環境が悪く、バケットによる掘削およびダンプ時の衝撃
、振動、防水等を考慮して特殊、高価な検出器が必要で
あり、しかも、その検出器が故障し易く、その故障によ
って制御不能になるおそれがあり、信頼性に乏しい等の
問題がある。

（発明の目的） 本発明は、このような問題を解消するためになされたも
のであり、地面の傾斜いかんに拘らず、掘削深さを適正
に制御でき、かつ、検出器の故障も少なく、信頼性の高
い制御ができる油圧ショベルの掘削深さ制御装置に提供
するものである。

（発明の構成） 本発明の構成を第１図の機能ブロック図〈実施例上の手
段を含む）を参照して説明する。

本発明は、油圧ショベルの走行体前部の機能定点Ｏを設
定する設定手段１０と、機能定点０を基準とした目標掘
削面までの掘削深さＨ＠段設定る設定手段１１と、車体
の傾斜角αを検出する検出手段１２と、ブームの回転角
βを検出する検出手段１３と、アームの回転角γを検出
する検出手段１４と、上記各設定手段１０．１１および
各検出手段１２．１３．１４からの出力信号と、地面か
らブームフットまでの高さ、ブーム長さ、アーム長さ、
バケット回転半径とに基づいてブームフットとアームポ
イントを結ぶ基準直線の作業傾斜角ηを演算する演算手
段２２と、この作業傾斜角ηに応じてブームフットを基
準とした最大掠削深さｌを演燐する演算手段２３と、上
記機能定点ｏ　ｂｓらの目標掘削面までの設定掘削深さ
Ｈをブームフットを基準とした目標掘削深さＪｌ、：演
算する演算手段２４と、上記最大掘削法さＩと目標掘削
深さＪとを比較する比較手段２５と、上記最大掘削法さ
Ｉが目標掘ｔｔ＋＋深さＪになった時にアーム回転角γ
に応じてアームポイントと目標好削面との鉛直方向間隔
がバケット回転半径より小さくなる方向へのブームおよ
びアームの作動を阻止する１１１１０手段２９．３０と
を設けてなることを特徴とするものである。

この構成により、オペレータが作業現場の状況等に応じ
て、走行体前部の機能定点Ｏおよび機能定点Ｏを基準と
した掠削深さト１を設定するだけで、その設定値と車体
の傾斜角α、ブームの回転角γ、アームの回転角δの各
検出値とに基づいて、目標−掘削深さに対応した目標飄
削面からアームポイントまでの間隔がバケット回転半径
より小さくならないように制御され、バケット先端によ
り目標掘削面が掘削されることが確実に防止される。

（実施例） 第２図は本発明装置を具備した油圧ショベルの一例を示
しているとともに、その制御のための設定、検出、演算
の各要素を示している。この油圧ショベルは、走行体１
の上部に設けられた旋回体２にブーム３が回動自在に設
けられ、ブーム３の先端にアーム４が回動自在に設けら
れ、アーム４の先端にバケット５が回動自在に設けられ
、これらブーム３、アーム４、バケット５がブームシリ
ンダ６、アームシリンダ７、バケットシリンダ８によっ
て回動されるようになっている。

上記油圧ショベルにおいて、各部の基準点、寸法および
角度を次のように定める。

０：ｖｓ能定点 Ｘ：ブームフット（ブーム３の回転中心）Ｙ：ブームポ
イント（ノー６４０回転中心）Ｚ：アームポイント（バ
ケット５の回転中心）Ｐ：バケット５の先端 Ｗ：ブームフットＸから地面９に鉛直に下した線が地面
９と交わる点 Ａ：ブームフットＸの地面からの高さ ８：ブーム長さくブームフットＸとブームポイントＹ間
の距離） Ｃ：アーム長さくブームポイントＹとアームボイン１へ
２間の距ｌ１ｌ） Ｄ：バケット回転半径（バケット先Ｑ　Ｐのアームポイ
ントＺを中心とする回転半径） Ｅ：上記点Ｗから機能定点Ｏまでの距離Ｈ：設定眠削深
さ Ｉ：最大掘削深さ Ｊ：目標掘削深さ に：目標掘削面 α：水平而面対する車体の傾斜角（地面と水平面のなす
角） β：ブーム３の回転角（水平線に対する角度）γ：アー
ム４の回転角（水平線に対する角Ｉｆ）上記寸法および
角度のうち、高さＡ、ブーム長さＢ１アーム長さＣ、バ
ケット回転半径ＤＧ、ｔｌｆｉ種によって決まる既知の
定数である。また、上記点Ｗから機能定点Ｏまでの距離
Ｅおよび設定掘削深さＨはＡベレータにより掘削現場の
状況に応じて任意に設定される。一方、車体傾斜角α、
ブーム回転角β、アーム回転角γは角度検出器により検
出される。

今、第２図において、ブーム３とアーム４がなす角／Ｘ
ＹＺをεとすると、εはブーム回転角βとアーム回転角
γを用いて、 ε−２π−γ−（π−β） ＝π−γ＋β　　　　　　　　　・・・・・・■で算出
される。

また、ブームフットＸとアームポイント７間の距離をＧ
とすると、Ｇは、△ＸＹＺより、既知のブーム長さＢお
よびアーム長さＣと、上記角度εとを用いて次のように
算出される。

Ｇ＝Ｊ　（Ｂ２＋Ｃ２−２ＢＣｃｏｓε）　・・・０次
に、ブームフットＸを中心として、ブームポイントＹと
アームポイントＺのなす角／ＹＸ７をθとすると、θは
、ΔＸＹＺより、アーム長さＣと、上記００式で求めた
角度εおよび距１１１１Ｇを用いて次の通り演算される
。

Ｃ／　ｓｉｎθ＝Ｇ／　ｓｉｎε 、°、　　　θ−５ｉｎ−１［（Ｃ／Ｇ）　　　ｓｉ口
ε　］　　・・・■ここで、ブームフットＸとアームポ
イント２を結ぶ直線を基準直線ａとし、この基準直線ａ
のブームフットＸを基準とした水平線に対する傾斜角を
作業傾斜角ηとすると、作業傾斜角ηは、下記の通り演
算される。

η＝β十θ　　　　　　　　　　　・・・・・・■さら
に、作業傾斜角力は作業状況に応じて変化するものであ
り、この作業傾斜角力に応じたショベルの掘削可能な最
大掘削深さを、ブームフットＸを基準としてＩで表わす
と、Ｉは、上記Ｇおよび作業傾斜角ηとバケット回転半
径りを用いて次の通り演棹される。

１＝Ｇｓｉｎη十Ｄ　　　　　　　　・・・・・・■こ
のようにブームフットＸ＠Ｍ準とする作業傾斜角ηに応
じたショベルの最大掘削深さｌは、上記０〜０式により
、既知のブーム良さＢ１アーム長ざＣ，バケット回転半
径りと、検出値であるブーム回転角β、アーム回転角γ
を用いて算出することができる。

一方、ブームフットＸと機能定点０間の距離をＦ、ブー
ムフットＸと機能定点０を結ぶ線の地面９となす角Ｚｘ
ＯＷをδとすると、Ｆおよびδは△ｘＯＷより、車体高
さＡと設定距離Ｅを用いて次のように算出される。

Ｆ−Ｊ　（Ａ２＋Ｅ”　）　　　　　　　・・・・・・
■δ−ｔａｎ−’　（Ａ／　Ｅ　）　　　　　　　−・
・・０次に、ブームフットＸを基準としてショベルの目
標掘削深さをＪで表わすと、目標掘削深さＪは、機能定
点Ｏを基準とした設定掘削深さＨと、上記０式で求めら
れた距離Ｆと、検出値である車体傾斜角αと、上記０式
で求められたδとを用いて次のように算出される。

Ｊ　−Ｈ＋　Ｆ　　Ｓｉｎ　（α＋６）　　　　・・・
・・・■こうしてブームフットＸを基準としたショベル
の目標掘削深ざＪは、上記０〜０式により、既知の車体
高さＡと、設定距離Ｅおよび設定掘削深さＨと、検出値
である車体傾斜角αおよびブーム回転角βを用いて演算
することができる。

そして、上記作業傾斜角力に応じた最大掘削深さＩと、
目標掘削深さＪとを比較することによって、アームポイ
ントＺが安全域にあるか、危険域にあるかが分る。

すなわち最大掘削深さＩが目標杷削深さＪより小さい時
（１＜Ｊ）は、アームポイントＺが目標掘削面Ｋからバ
ケット回転半径りに相当する距離以上に離れた領域にあ
り、安全域であると言える。

従ってその位置でバケット５を掻込み方向に回動さＵて
もバケット先Ｑ３　Ｐが目標掘削面Ｋに食込むおそれは
なく、ブーム３、アーム４、バケット５を自由に作動さ
せて差支えない。

ただし、最大掘削深さＩが目標掘削深さ８以上の時（Ｉ
≧Ｊ）は、アームポイント２と目標掘削面にとの間隔が
バケット回転半径り以下の時であり、この位置でバケッ
ト５を回動させると、バケット先端Ｐが目標掘削面Ｋに
食込むおそれがあり、従って危険域であると言える。

このような場合はアーム回転角γの値によって次のよう
に判定される。

■　γく（π／２）の時 ：アーム引込みおよびブーム下げを停止０　γ〉（π／
２）の時 ：アーム押出しおよびブーム下げを停止θ　γ＝（π／
２）の時 ：ブーム下げを停止 これによって、アームポイントＺが目標掘削面に側に近
付くことが防止され、アームポイントＺと目標掘削面に
との間隔がバケット回転半径りより小さくなることが防
止され、バケット先端Ｐが目標掘削面Ｋに食込むことが
防止される。

次に、上記の演算および制御を第１図の機能ブロック図
により説明する。

まず、オペレータが現場の作業状況に応じて、機能定点
Ｏを決め、この機能定点Ｏを基準に上記点Ｗから機能定
点０までの距離Ｅを機能定点設定手段１０に設定すると
ともに、機能定点Ｏを基準とした設定掘削深さＨを掘削
深さ設定手段１１に設定する。一方、車体傾斜角検出手
段１２により車体傾斜角αが検出され、ブーム回転角検
出手段１３およびアーム回転角検出手段１４によりブー
ム回転角βおよびアーム回転角γが検出される。

この場合、車体傾斜角検出手段１２には車体に設けられ
るジャイロスコープ、振り子等の検出器が用いられる。

ブーム回転角検出手段１３およびアーム回転角検出手段
１４にはブームフットＸおよびブームポイントＹに設け
られるポテンショメータ等の検出器が用いられる。ただ
し、上記回転角検出手段１３．１４による実際の検出値
は車体およびブームポイントＹを基準とするため、図示
しない補正手段により水平線を基準とする数値に補正さ
れる。

そして、上記各設定手段１０．１１および各検出手段１
２，１３．１４からの出力信号Ｅ、Ｈおよびα、β、Ｔ
がコントローラ２０に入力され、入出力装置２１を経て
作業傾斜角演算手段２２および最大掘削深さ演算手段２
３と、目標掘削深さ演算手段２４に送られる。ここで、
上記演惇手段２２．２３により作業傾斜角ηに応じた最
大掘削深さＩ（上記０〜０式）が演算されるとともに、
演算手段２４により目標掘削深さＪ（上記０〜０式）が
演算される。

次いで、比較手段２５により最大掘削深さ■と、目標掘
削深ざＪとが比較され、判別手段２６により最大掘削深
さＩが目標掘削深さＪより小さい（Ｉ＜Ｊ）か否かが判
別され、Ｉ＜Ｊの時は、アームポイントＺが安全域であ
るので、信号発生手段２８を介してブーム制御手段２９
およびアーム制御手段３０にそれぞれ自由作動信号が送
られる。

一方、Ｉ≧Ｊの時は、アームポイントＺが危険域にある
ので、次のアーム回転角判別手段２８によりアーム回転
角γの値に基づいて上記■〜Ｏに応じた制御信号が信号
発生手段２８を介してブームレ１ａ手段２９およびアー
ム制御手段３０に送られる。なお、機械としては安全サ
イドに動くことは可能とする。

次に、上記の制御を行うためのブームおよびアームの油
圧回路を第４図によって説明する。

第４図において、図示しないアームレバーを操作すると
、アーム用操作弁３１に設けられた可変減圧弁３１８．
３１ｂの二次側に二次圧力Ｐａ１゜Ｐａ２が導かれ、そ
の二次圧力Ｐａ＋　、Ｐａ２によってアーム用方向制御
弁３２が左右いずれかに切替えられ、メインポンプ３３
からアームシリンダ７に対する圧油の給排が制御され、
アームシリンダ７が伸縮されてアーム押出しまたは引込
みが行われる。また、図示しないブームレバーを操作す
ると、ブーム用操作弁３４に設けられた可変減圧弁３４
ａ、３４ｂの二次側に二次圧力Ｐｂ１゜Ｐｂ２が導かれ
、その二次圧力Ｐｂ１．Ｐｂ２にＪ：つてブーム用方向
制御弁３５が左右いずれかに切替えられ、メインポンプ
３６からブームシリンダ６に対する圧油の給排が制御さ
れ、ブームシリンダ６が伸縮されてブーム上げまたはブ
ーム下げが行われる。

上２油圧回路において、アーム押出し用可変減圧弁３１
ａの二次側回路およびアーム引込み用可変減圧弁３１ｂ
の二次側回路と、ブーム下げ用可変減圧弁３４ｔ）の二
次側回路に、それぞれ電磁弁３７．３８．３９が設けら
れている。

今、アーム押出し用可変減圧弁３１ａを操作してその二
次圧力Ｐａ＋によりアーム用方向制御弁３２を左位置に
切替え、アームシリンダ７を伸ばしてアーム押出しを行
っている際に、電磁弁３７をＯＮすると、上記可変減圧
弁３１ａから方向制御弁３２に二次圧力が送られなくな
り、方向制御弁３２が中立位置に戻され、アームシリン
ダ７が停止され、アーム押出しが停止される。また、ア
ーム引込みおよびブーム下げの作業時に、電磁弁３８．
３９をＯＮすれば、上記と同様の作動でそれらの作業が
停止される。ただし、ブーム上げは常に安全サイドへの
作動であるので、上記の制御を行う必要はない。

上記電磁弁３７．３８．３９はコントローラ２０からの
信号によって０Ｎ−ＯＦＦ制御されるものであり、コン
トローラ２０は第１図に示した機能を有し、車体傾斜角
α、ブーム回転角β、アーム回転角γ、設定距離Ｅ、Ｊ
ｌ定掘削深さＨを入力し、それらの入力信号に基づいて
１ｍｍ弁子７，３８３９に対する０Ｎ−ＯＦＦ信号を出
力する。

このようにアーム用方向制御弁３２およびブーム用方向
制御弁３５を切替えるための二次圧力を、コントローラ
２０からの信号によって作動する電磁弁３７，３８．３
９で０Ｎ−ＯＦＦすることにより誤動作がなく、制御の
信頼性が高められる。

次に、上記コントローラ２０による制御を第４図のフロ
ーチャートにより説明する。

まず、ステップＳ１で設定掘削深さＨが読込まれ、ステ
ップＳ２で上記点Ｗから機能定点Ｏまでの設定釦Ｉ！１
ｌｌＥが読込まれ、ステップＳ３で車体傾斜角αが読込
まれ、ステップＳ４でブーム回転角βが読込まれ、ステ
ップＳ５でアーム回転角γが読込まれる。次いで、ステ
ップＳ６でブームフットＸを基準とする作業傾斜角力に
応じた最大掘削深さ１がａＳＳされ、ステップＳ７でブ
ームフットＸを基準とする目標掘削深さＪが演算された
後、ステップＳ８で１＜Ｊであるか否かが判別される。

ステップＳ８でＹＥＳの時は、スタートに戻る。

ステップＳ８でＮｏ（１≧Ｊ）の時は、次のステップＳ
９でアーム回転角γが、７＜（π／２）か否かが判別さ
れる。ステップＳ９でＹＥＳの時はステップＳ１１に進
み、アーム引込み停止すなわち第３図の電磁弁３８をＯ
Ｎする信号が出力された後、ステップＳ１３に進む。Ｎ
ｏの時はステップＳ１８でγ＝（π／２）か否かが判別
され、ＹＥＳの時はステップＳ１３に進み、ＮＯの時は
ステップ＄１２でアーム押出し停止すなわち第３図の電
磁弁３７をＯＮする信号が出力され、ステップＳｔ３に
進む。次いで、ステップＳｎでブーム下げ停止すなわら
第３図の電磁弁３９をＯＮする信号が出力され、その後
、ステップＳ　％で終りか否かが判別され、ＮＯの時は
スタートに戻され、ＹＥＳの時は制御を終了する。

これによって、目標掘削面ＫからアームポイントＺまで
の間隔がバケット回転半径りより小さくならないように
制御され、バケット先端Ｐにより目標掘削面Ｋが掘削さ
れることが防止される。

（発明の効果） 以上のように本発明は、オペレータが走行体前部の機能
定点ＯＩ３よび機能定点０を基準とした掘削深さ１・１
を設定するだけで、その設定値と車体の傾斜角α、ブー
ムの回転角γ、アームの回転角δの各検出値とに基づい
て、目標掘削面からアームポイントまでの間隔がバケッ
ト回転半径より小さくならないように制御でき、バケツ
ｉ−先端により目標掘削面が都削されることを確実に防
止でき、正確な掘削深さ制御ができる。しかも、地盤が
傾斜している場合であっても、その作業現場の状況に応
じて機能定点と目標掘削深さを設定することによって、
常に最適な制御が行われ、制御精度を向上できるととも
に、作業の安全性ならびに装置の汎用性を向上できる。

さらに、バケットの枢支部に角度検出器を設ける必要が
ないので、従来装置に比べて検出器の数を少なくできる
とともに、故障も少なく、信頼性の高い制御を行うこと
ができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置の実施例を示す機能ブロック図、第
２図は本発明装置を具備する油圧ショベルの一例を示す
側面図、第３図は本発明装置におけるブームおよびアー
ムの油圧回路図、第４図はＩＩＩＩ　ＩＩＩのフローヂ
ャートである。 １・・・走行体、３・・・ブーム、４・・・アーム、５
・・・バケット、１０・・・機能定点設定手段、１１・
・・掘削深さ設定手段、１２・・・車体傾斜角設定手段
、１３・・・ブーム回転角検出手段、１４・・・アーム
回転角検出手段、２０・・・コントローラ、２２・・・
作業傾斜角演算手段、２３・・・最大掘削深さ演算手段
、２４・・・目標掘削深さ演算手段、２５・・・比較手
段、２６・・・判別手段、２７・・・アーム回転角判別
手段、２８・・・信号発生手段、２９・・・ブーム制御
手段、３０・・・アーム制御手段、３７，３８．３９・
・・電磁弁、α・・・車体傾斜角、β・・・ブーム回転
角、γ・・・アーム回転角、Ｏ・・・Ｉ！！能定点、Ｅ
・・・設定距離、η・・・作業傾斜角、Ｉ・・・最大掘
削深さ、Ｊ・・・目標掘削深さ。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、油圧ショベルの走行体前部の機能定点を設定する設
   定手段と、機能定点を基準とした目標掘削面までの掘削
   深さを設定する設定手段と、車体の傾斜角を検出する検
   出手段と、ブームの回転角を検出する検出手段と、アー
   ムの回転角を検出する検出手段と、上記各設定手段およ
   び各検出手段からの出力信号と地面からブームフットま
   での高さ、ブーム長さ、アーム長さ、バケット回転半径
   とに基づいて、ブームフットとアームポイントを結ぶ基
   準直線の作業傾斜角を演算するとともに、この作業傾斜
   角に応じてブームフットを基準とした最大掘削深さを演
   算する演算手段と、上記機能定点から目標掘削面までの
   設定掘削深さをブームフットを基準とした目標掘削深さ
   に演算する演算手段と、上記最大掘削深さと目標掘削深
   さとを比較する比較手段と、上記最大掘削深さが目標掘
   削深さになつた時にアーム回転角に応じてアームポイン
   トと目標掘削面との鉛直方向間隔がバケット回転半径よ
   り小さくなる方向へのブームおよびアームの作動を阻止
   する制御手段とを設けたことを特徴とする油圧ショベル
   の掘削深さ制御装置。